煤礦斜井盾構施工長距離獨頭通風智能監控系統

張大偉，　辛德林

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司， 湖北 武漢　430064)

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煤礦斜井盾構施工長距離獨頭通風智能監控系統

張大偉，辛德林

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司， 湖北 武漢430064)

針對煤礦斜井盾構法施工時的長距離獨頭通風，設計了一種以PLC為核心的智能監控系統。該智能監控系統可根據不同風筒長度的風量及負壓變化規律，對通風機進行自動調節；同時，對斜井井筒內的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧氣等環境參數進行實時監測，并上傳至礦區數字化管理平臺，為盾構施工提供了安全的通風保障。

盾構法； 斜井盾構施工； 通風監控； 智能監控；PLC

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1019.017.html

0　引言

神華新街臺格廟礦區1號試驗斜井采用盾構施工法，在國內煤礦斜井建設中屬于首次。斜井盾構施工時，由于井筒內人員需風量、瓦斯排出、有害氣體排出、設備散熱等因素，井筒內的通風非常重要。經過方案比較，確定采用長風管獨頭機械壓入式通風，以滿足施工需要。該斜井井筒總長6 700m，隨著井筒盾構施工的延伸，風筒也逐漸延長，井筒內所需風量和負壓也隨之增大。為此，設計了一種以PLC為核心的智能監控系統，它可根據施工時不同風筒長度的風量及負壓變化規律，對風量進行自動調節。該智能監控系統還可通過環境監測監控分站及井筒內設置的傳感器，對井筒內的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧氣等環境參數進行實時監測并上傳至礦區數字化管理平臺，為盾構施工提供了安全的通風保障。

1　變頻通風系統

通風系統主備用通風機均為對旋軸流式通風機，主要通風機主電動機功率為2×200kW，備用通風機主電動機功率為3×185kW。軸流式通風機風量調節方法有調整葉片角和調節通風機轉速2種方法[1]。考慮到隨風筒長度要增加供風量的關系，采用變頻調速調節風量。因此，通風系統主電動機的電氣傳動采用380V低壓變頻調速和以變頻調速為主、改變葉片角為輔的方法實現通風風量的自動調節。通風機通過主電動機反轉實現反風。通風系統組成如圖1所示。

圖1　變頻通風系統組成

2　智能監控系統

2.1智能監控系統硬件組成

智能監控系統采用可編程序控制器PLC+上位監控計算機模式[2]。PLC部分由機架、電源模塊、CPU模塊、以太網模塊、通信模塊及輸入輸出模塊等組成。通風系統環境參數的實時監測采用KJ95N系列礦井安全監測監控系統實現。上位監控計算機采用工業計算機，通過組態軟件實現系統參數顯示、故障報警、歷史數據存儲及報表輸出等。智能監控系統硬件組成如圖2所示。

圖2　智能監控系統硬件組成

2.2智能監控系統軟件

智能監控系統軟件分為下位邏輯控制程序和上位監控顯示程序2個部分。下位邏輯控制程序利用SIMATICSTEP7軟件編制，由主程序和子程序組成。主程序用于控制配電柜、變頻器等設備，完成通風機的遠程遙控/自動/手動(檢修)狀態下的啟停及風量自動調節。子程序用于實現故障報警控制及風電瓦斯閉鎖控制等。其中，風量自動調節以工藝專業計算值為系統給定值，通過PLC的PID處理模塊自動調節控制輸出。盾構斜井施工不同風筒長度通風機供風量見表1。風量自動調節框圖如圖3所示。

表1　斜井盾構施工不同風筒長度通風機供風量

圖3　風量自動調節框圖

上位監控顯示程序采用WinCC組態軟件編制。該監控顯示程序通過與下位PLC控制器通信，實現控制指令下達、工作方式選擇、參數設置、設備運行狀態監控、故障報警及數據存儲記錄等功能。

2.3智能監控系統功能

2.3.1控制方式

智能監控系統運行方式有遠程遙控/自動/手動(檢修)3種：① 遠程遙控由礦區數字化平臺的監控計算機實現，即“一鍵啟停”。② 自動方式，即由PLC程序控制系統各設備按照預設程序自動運行。③ 手動(檢修)時由人工就地控制，一般是調試及檢修時采用。

2.3.2監控功能

(1) 參數監測及存儲。系統監測參數：① 通風機主電動機的遠控、運行及故障狀態、主電動機繞組及軸承溫度；配電裝置的遠控、分合閘、運行及故障等設備運行參數。② 各高低壓配電裝置的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電度等電氣參數。③ 風量、負壓等通風系統運行參數。④ 井筒內的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等環境參數。上述參數同時被存儲在上位機內，形成歷史數據，方便查詢。

(2) 程控功能。① 通風機的正常啟停控制。② 設備故障時的報警及通風機自動倒換控制。③ 根據不同盾構長度的需風量及風量傳感器采集的反饋值進行PID閉環控制，實現風量的自動調節[3]。④ 通過組態軟件，采用圖形及數字實時顯示系統運行參數和設備狀態，并進行故障報警。⑤ 聯鎖控制：通過環境監測監控分站及甲烷傳感器、斷電控制器等完成通風機的啟停與盾構機等用電設備的聯鎖控制，實現“送風送電，停風停電”的風電閉鎖功能，且當斜井井筒內瓦斯含量達到斷電值時，實現盾構機等用電設備必須斷電的瓦斯電閉鎖功能[4]。⑥ 監控系統可通過工業以太網交換機與礦區數字化平臺聯網，實時上傳通風系統運行參數，實現通風系統的遠程啟停、無人值守、智能運行。

3　結語

煤礦斜井盾構施工長距離獨頭通風智能監控系統是根據神華新街臺格廟礦區1號試驗斜井盾構施工的通風要求設計的，由于該礦區因多種礦權重疊等原因暫緩施工，所以，該智能監控系統首先在神華神東補連塔煤礦2號輔運斜井盾構施工工程中應用，并獲得了成功。應用結果顯示：

(1) 風量初期小，后期大，采用變頻調節，節能效果顯著。

(2) 通風機變頻啟動運行，系統振動小、噪聲低，風筒使用壽命長、故障率低。

(3) 風量自動跟隨調節，滿足斜井盾構施工供風要求。

(4) 智能監控系統可根據實時環境參數智能調節風量，例如當瓦斯濃度上升，但未達到報警及斷電值時，自動增加風量。

該智能監控系統實現了風量的自動調節，滿足了施工中的通風要求，同時實現了風電瓦斯閉鎖，為以后該類施工提供了科學參考和有效保障，具有示范意義。

[1]姜筱瀛.礦井主通風機節能調節方式探討[J].煤炭工程，2012，44(5)：13-14.

[2]閔磊，陳燎原，王磊，等.PLC控制與組態技術在礦用通風機監控系統中的應用[J].煤礦機械，2012，33(2)：199-200.

[3]閆鑫，萬紫嫣，吳坤，等.礦井主要通風機控制系統設計[J].工礦自動化，2012，38(3)：66-68.

[4]龔曉燕，薛河，時磊，等.PLC及組態王的掘進通風監控與報警系統研究[J].西安科技大學學報，2012，32(1)：81-85.

Intelligent monitoring and control system for blind ventilation with longdistanceinshieldconstructionofcoalmineinclinedshaft

ZHANG Dawei,XIN Delin

(CCTEGWuhanDesignandResearchInstitute，Wuhan430064，China)

AnintelligentmonitoringandcontrolsystemwasdesigedwhichtakesPLCascoreforblindventilationwithlongdistanceinshieldconstructionofcoalmineinclinedshaft.Theintelligentmonitoringsystemcanautomaticallyadjustventilatoraccordingtochangeregulationofairflowandpressureofdifferentlengthofventilatingduct.Atthesametime,itcanmonitorenvironmentparameterssuchasCH4,CO,CO2,O2andsoonininclinedshaft,andsendthecollecteddatatominedigitalmanagementplatform.Itensuressafetyofventilationforshieldconstruction.

shieldmethod;shieldconstructionofinclinedshaft;ventilationmonitoring;intelligentmonitoring;PLC

1671-251X(2016)09-0071-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.017

2016-04-22；

2016-07-19；責任編輯：胡嫻。

國家科技支撐計劃子課題(2013BAB10B03-5)。

張大偉(1982-)，男，安徽壽縣人，高級工程師，主要從事礦山電氣自動化研究工作，E-mail：zdw027@163.com。

TD635

B網絡出版時間：2016-09-02 10:19

張大偉，辛德林.煤礦斜井盾構施工長距離獨頭通風智能監控系統[J].工礦自動化，2016,42(9)：71-73.